Eine modifizierte Lean- und Release-Technik zur Betonung der Reaktionshemmung und Aktionsauswahl in reaktivem Gleichgewicht
Summary
Hier bieten wir ein Protokoll an, das es dem Benutzer ermöglicht, die Erschwinglichkeiten und/oder Einschränkungen von Bewegungen, die für die Wiederherstellung des Gleichgewichts nach haltungsbedingten Störungen relevant sind, selektiv zu ändern.
Abstract
Die Bewertung des reaktiven Gleichgewichts setzt traditionell eine Art von Störung gegenüber aufrechter Haltung oder Gangart auf, gefolgt von der Messung des resultierenden Korrekturverhaltens. Zu diesen Maßnahmen gehören Muskelreaktionen, Gliedmaßenbewegungen, Bodenreaktionskräfte und sogar direkte neurophysiologische Maßnahmen wie Elektroenzephalographie. Mit diesem Ansatz können Forscher und Kliniker einige Grundprinzipien in Bezug darauf, wie das Nervensystem das Gleichgewicht steuert, um einen Sturz zu vermeiden, ableiten. Eine Einschränkung bei der Art und Weise, wie diese Bewertungen derzeit verwendet werden, ist, dass sie reflexive Handlungen stark betonen, ohne dass automatische Haltungsreaktionen revidiert werden müssen. Eine solche ausschließliche Fokussierung auf diese hochstereotypischen Reaktionen würde nicht angemessen darauf eingehen, wie wir diese Reaktionen im Bedarfsfall ändern können (z. B. Vermeidung eines Hindernisses mit einem Erholungsschritt). Dies scheint ein eklatantes Versäumnis zu sein, wenn man die enorme Komplexität der Umgebungen bedenkt, mit denen wir täglich konfrontiert sind. Insgesamt lässt der Status quo bei der Bewertung der neuronalen Steuerung des Gleichgewichts nicht wirklich offen, wie höhere Gehirnressourcen dazu beitragen, Stürze in komplexen Umgebungen zu verhindern. Das vorliegende Protokoll bietet eine Möglichkeit, die Unterdrückung automatischer, aber unangemessener Korrekturbilanzreaktionen zu verlangen und eine Auswahl unter alternativen Aktionsoptionen zu erzwingen, um das Gleichgewicht nach der Haltungsstörung erfolgreich wiederherzustellen.
Introduction
Trotz der erkannten Korrelation zwischen Stürzen und kognitivem Verfall1,2,3, besteht eine große Lücke im Verständnis, was das Gehirn tatsächlich tut, um uns zu helfen, einen Sturz zu vermeiden. Theoretisch würden kognitive Anforderungen mit zunehmender Umweltkomplexität und in Situationen, in denen wir instinktives Verhalten revidieren müssen, akzentuiert. Jedoch, die meisten Balance-Tests nicht effektiv zu besteuern höhere Gehirnfunktion, stattdessen betont reflexive Rechte Reaktionen. Während Faktoren wie die Reaktionsgeschwindigkeit unerlässlich sind, um einen Sturz zu verhindern, können zusätzliche kognitive Faktoren, wie hemmende Kontrolle und/oder die Fähigkeit, geeignete Maßnahmen basierend auf einem bestimmten Kontext auszuwählen, auch in bestimmten Situationen wichtig sein. Als Ergebnis, ein Grund, warum wir nicht verstehen, die Rolle des Gehirns im reaktiven Gleichgewicht ist aufgrund von Forschungsprotokollen derzeit in Gebrauch. Rogers et al. haben vor kurzem die verschiedenen Methoden zusammengefasst, in denen die Balancekontrolle mit Hilfe externer Störung 4 bewertetwurde. Zu diesen Methoden gehören Plattformübersetzung, Neigungen und/oder Tropfen sowie die Verwendung automatisierter Systeme, die die Haltungsunterstützung pushen, ziehen oder entfernen. Trotz der großen Vielfalt an Techniken, die verwendet werden, um das aufrechte Gleichgewicht zu stören, werden die sich daraus ergebenden Korrekturreaktionen fast immer in einer ungehinderten Umgebung durchgeführt, wodurch Bewegungseinschränkungen minimiert werden. Hier schlagen wir eine Methode vor, bei der kognitive Prozesse erforderlich sind, um präpotente Aktionen zu überschreiben und geeignete Antworten unter Alternativen in einer reaktiven Balance-Aufgabe auszuwählen.
Eine gängige Möglichkeit, das reaktive Gleichgewicht zu testen, besteht darin, relativ kleine Haltungsstörungen aufzuerlegen, die mit einer festen Unterstützungsreaktion (typischerweise Feet-in-Place) gegendiengefährdet werden können5,6,7,8,9. Vergleichsweise weniger Studien haben sich auf Änderungs-of-Support-Balance-Reaktionen als Reaktion auf Störungen über Taillenzüge, Plattformübersetzung und Freigabe von einem Stützkabel konzentriert Als Beispiel siehe Mansfield et al.10. Die Bedeutung der letztgenannten Gruppe kann geschätzt werden, indem man erkennt, dass, wenn Störungen groß sind, Veränderung der Unterstützung Reaktionen die einzige Option sind, um Stabilität wiederherzustellen11. In der Tat, auch für kleinere Störungen, die mit Füßen-in-Ort -Strategien (d. h. Hüfte und/oder Knöchel) Strategien verwaltet werden könnten, menschenziehen es häufig, zu treten, wenn die Wahlgegeben 11. Der Wert, solche Veränderungsreaktionen zu untersuchen, liegt nicht nur darin, dass einer größeren Größe der Störung entgegengewirkt werden muss, sondern auch in den Herausforderungen, die sich bei der Neupositionierung der Gliedmaßen ergeben, um eine neue Stützbasis zu schaffen. Das Vorhandensein von Erschwinglichkeiten und/oder Handlungseinschränkungen ist ein regelmäßiger Bestandteil vieler realen Umgebungen. Dies erzwingt einen Auswahlprozess, um eine neue Unterstützungsbasis zu schaffen, wenn ein Gleichgewichtsverlust auftritt. Um das Verhalten an komplexe Umgebungen anzupassen, steigt die Nachfrage nach höheren Gehirnressourcen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Gliedmaßen eine neue Unterstützungsbasis schaffen müssen. Kognitive Rollen im reaktiven Gleichgewicht hervorzuheben und zu entlarven, erscheint logisch, unübersichtliche sende mittels wieder einzuführen und eine Strategie der Änderung der Unterstützung mit den Gliedmaßen zu erzwingen.
Eine einfache Möglichkeit, eine extern induzierte Haltungsstörung zu liefern, ist die Lean & Release-Technik, bei der ein Individuum plötzlich von einer unterstützten Vorwärtsneigung befreit wird. Dieser Ansatz ermöglicht die Beurteilung von Kompensationsreaktionen, um einen Vorwärtsabfall zu vermeiden und wurde erfolgreich sowohl in gesunden als auch in klinischen Populationen12,13,14eingesetzt. Obwohl die Lean & Release-Technik etwas einfach ist, bietet sie wertvolle Einblicke in die Fähigkeit des reaktiven Gleichgewichts (z. B. wie schnell jemand einen Wiederherstellungsschritt initiieren oder die Anzahl der Schritte bestimmen kann, die erforderlich sind, um die Stabilität wiederherzustellen). Für die gegenwärtigen Zwecke bietet die Lean & Release-Technik eine einfache Möglichkeit, kognitive Rollen im reaktiven Gleichgewicht zu untersuchen, da viele der Störeigenschaften konstant gehalten werden. Dies ermöglicht eine bessere experimentelle Kontrolle über Variablen, die speziell für die Aktionsauswahl und Diereaktionshemmung relevant sind. Während andere Modi der haltungsgestörten Entwicklung in der Regel auf Unvorhersehbarkeit in Bezug auf Störrichtung, Amplitude und Timing angewiesen sind, ist die Umgebung immer konstant. Selbst in Studien, in denen Beinblöcke verwendet wurden, um Reichweitenreaktionen zu betonen15 sind die Blöcke fixiert, ohne dass es notwendig ist, Schrittverhalten schnell anzupassen, basierend auf dem Vorhandensein oder Fehlen eines Beinblocks. Mit der derzeit vorgeschlagenen Methode können wir die Umgebung so verändern, dass Verhaltensanpassungen gefordert werden, um einen Sturz zu vermeiden.
Jenseits von Laboreinstellungen, die kognitive Rollen im reaktiven Gleichgewicht unzureichend aussetzen, ist ein weiteres wichtiges Problem eine starke Abhängigkeit von externen Maßnahmen wie Muskeleinwirkung, Bodenreaktionskräften und Video-Bewegungserfassung, um neuronale Prozesse abzuleiten. Obwohl diese Maßnahmen wertvoll sind, bietet die ausschließliche Abhängigkeit von solchen Maßnahmen keinen direkten Einblick in die zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen, die zum Gleichgewicht beitragen. Dieses Problem wird noch verschärft, wenn man bedenkt, dass vieles von dem, was das Gehirn tun kann, um einen Sturz in komplexen Umgebungen zu verhindern, wahrscheinlich vor dem Fall passiert. Die prädiktiven Rollen bei der Sturzprävention wurden in letzter Zeit ausführlicher diskutiert16. Forschungsrichtungen umfassen die Vorhersage zukünftiger Instabilität17, das Erstellen von visuospatialen Karten, während wir uns durch unsere Umgebung bewegen18, und möglicherweise die Bildung von Eventualitäten auf der Grundlage der Umwelt auch ohne Vorherwissen über einen Fall19. Eine solche Zubereitung zu enthüllen, wäre ohne den Einsatz direkter neurophysiologischer Sonden völlig unzugänglich.
Der modifizierte Lean & Release-Ansatz, wie er derzeit vorgeschlagen wird, bietet ein Mittel, um einige der genannten Einschränkungen zu überwinden. Dies geschieht mithilfe eines Testszenarios, in dem die Gliedmaßen erforderlich sind, um eine neue Unterstützungsbasis in einer wahlwältigen Umgebung zu schaffen. Ergänzt wird dieser Ansatz durch direkte Messungen der Hirnaktivität (z. B. transkranielle Magnetstimulation, TMS) sowohl vor als auch nach der Haltungsstörung, die externe Messungen der Kraftproduktion und Bewegungserfassung ergänzen kann. Diese Kombination von experimentellen Merkmalen stellt eine wichtige Innovation auf dem Gebiet dar, um zu zeigen, wie das Gehirn zum Gleichgewicht in komplexen Umgebungen beiträgt, in denen Die Reaktionshemmung und die Auswahl von Aktionen zwischen Optionen erforderlich sind, um einen Sturz zu verhindern. Hier zeigen wir eine neuartige Methode zum Testen des reaktiven Gleichgewichts in einer Umgebung, die die Notwendigkeit für kognitive Prozesse betont, das Verhalten anzupassen, um einen Sturz zu vermeiden. Die Kombination von Hindernissen und Handlungsbedarfen zwingt zu einer Reaktionshemmung, gezielten Maßnahmen und der Auswahl von Reaktionen unter den Optionen. Darüber hinaus zeigen wir eine präzise zeitliche Kontrolle über den visuellen Zugriff, das Timing neuronaler Sonden, die Änderung der Reaktionsumgebung und den Beginn der Haltungsstörung.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses modifizierte Lean & Release-System bietet eine neue Möglichkeit, kognitive Rollen im reaktiven Gleichgewicht zu bewerten. Wie beim Standard-Lean & Release-Verfahren sind die Richtung und Amplitude der Haltungsstörung für das Subjekt vorhersehbar, während das Timing der Kabelfreigabe unvorhersehbar ist. Einzigartig im aktuellen Ansatz ist, dass der Zugang zum Sehen genau gesteuert wird, während das Thema fixiert bleibt und die Reaktionsumgebung um sie herum verändert wird, um unterschiedliche Aktionsmöglichkeiten und/oder Einschränkungen zu schaffen. Durch die Manipulation des Vorhandenseins von Hindernissen und Erschwinglichen betont diese Methode kognitive Prozesse wie Entscheidungsfindung (d. h. Aktionsauswahl) und Reaktionshemmung in Bezug auf die Gleichgewichtserholung.
Die vorgeschlagene Methode hat das Potenzial, einen einzigartigen Einblick in die neuronale Steuerung des Gleichgewichts zu bieten, stellt aber gewisse Einschränkungen dar. Bei Verwendung der Lean & Release-Methode wird die Kabelfreigabe z. B. von einer vorwärts gerichteten, die einen ausgeprägten Balance-Recovery-Schritt im Vergleich zu anderen Methoden der externen Haltungsstörung10erfordert. Auch die Richtung und das Ausmaß der Störung sind vorhersagbar, was zu einer vorausschauenden Aktivierung von Muskeln führen kann, die normalerweise nicht in realistischere Fallszenarien verwickelt wären. Schließlich wird das Sehen vor der Kabelfreigabe vorübergehend ausgelastet, was auch vom Alltag eines Einzelnen abweicht. Diese Merkmale machen unsere Beurteilung des Gleichgewichts etwas künstlich und können eine Verallgemeinerung über verschiedene Arten der Störung ausschließen. Es ist wichtig zu erkennen, dass die Verallgemeinerbarkeit auf reale Weltstürze immer ein Anliegen ist, wenn man Rückschlüsse darauf zieht, wie das Gleichgewicht aus einer bestimmten Bewertungsmethode gesteuert wird. Tatsächlich gibt es derzeit keinen allgemein anerkannten umfassenden Test auf Gleichgewichtsfähigkeit4. Für die gegenwärtigen Zwecke ermöglicht ein Set Forward Fall, dass Störeigenschaften und Reaktionseinstellungen konstant gehalten werden können, während bestimmte kognitive Anforderungen manipuliert werden, die in herkömmlichen Bilanzbeurteilungen oft vernachlässigt oder unzugänglich sind. Eine solche experimentelle Kontrolle ist von Vorteil, sollte aber bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden.
Als zweite Einschränkung kann der Bau der Prüfgeräte und die erforderlichen technischen Fähigkeiten eine Herausforderung für die Umsetzung dieser Methode darstellen. Drei Elektrotechnikstudenten der Utah State University bauten die Plattform, richteten die Elektronik ein und programmierten Mikrocontroller, um Servomotoren für die Griffabdeckung und den Beinblock anzutreiben. Die Baukosten waren bescheiden (d. h. <15.000 , ohne die in die Plattform montierten Kraftplatten). Dies kann jedoch je nach verfügbaren Ressourcen eine Herausforderung darstellen.
Mit diesem Ansatz wurden spezifische Einblicke in die neuronale Steuerung des Gleichgewichts gewonnen. Diese Beispiele deuten darauf hin, dass nichtinvasive Hirnstimulation verwendet werden kann, um Motorset basierend auf der Betrachtung von Objekten in einem haltungsbezogenen Kontext zu erfassen und eine Technik zur Beurteilung der Ansprechhemmung mit Muskelreaktionen anzubieten. Insbesondere könnte die modifizierte Lean & Release-Technik leicht angepasst werden, um andere neurophysiologische Sonden wie Elektroenzephalographie und funktionelle Nahinfrarotspektroskopie zu integrieren. Auch ohne die Einbeziehung direkter neuronaler Maßnahmen können Studiendesigns, die sich ausschließlich auf äußere Kräfte, Muskelaktivierung und Kinematik konzentrieren, wichtige Einblicke in Verhaltensmarker kognitiver Defizite liefern. So wurde beispielsweise von Cohen et al.26eine interessante Anwendung zur Verwendung von Kraftplatten zur Erfassung antizipatorischer Haltungsverschiebungen während einer reaktiven Schrittaufgabe demonstriert. In ihrer Studie wurden Defizite bei der Ansprechhemmung bei älteren Erwachsenen durch unangemessene Gewichtsverlagerungen aufgedeckt, was wiederum zu Verzögerungen bei den Zeitverzögerungen bei der Wahlreaktion führte. Ein solcher Ansatz könnte auf das derzeitige Paradigma angewendet werden, um sensible Messgrößen für Gewichtsverlagerungen und Trittfehler zu erhalten.
Diese neue Methode basiert auf einem etablierten Test für die reaktive Balance, bei dem Teilnehmer von einem unterstützten Lean befreit werden, und enthält nun Szenarien, die Verhaltensflexibilität erfordern. Testdesigns, die geeignet sind, um Reaktionshemmung und Aktionsauswahl aufzutun, ermöglichen es uns, Konzepte aus der kognitiven Psychologie auf den Bereich der Balance-Kontrolle anzuwenden. Ein solcher Ansatz ist notwendig, um auf der Erkenntnis aufzubauen, dass kognitiver Verfall und Fallprävalenz korreliert sind, und um ein mechanistisches Verständnis dafür zu gewinnen, wie kognitive Ressourcen Stürze verhindern. Vermutlich könnte dieses Setup nicht nur als Forschungsinstrument, sondern auch als Mittel zur Ausbildung kognitiver Rollen im Gleichgewicht verwendet werden. Ein wichtiges Ziel der laufenden Arbeit unseres Labors ist es zu verstehen, wie das Gehirn kontextbezogene Informationen nutzt, um zu aktualisieren, welche Bewegung am besten geeignet wäre, um einen Sturz in der Umgebung zu verhindern. Hinweise wie die Verfügbarkeit eines stabilen Handgriffs oder eine potenzielle Schrittbarriere können leiten, welche Reaktion bei Bedarf zu machen ist und können verdeckt prädiktive Hirnprozesse formen16. Insbesondere kann sich die Fähigkeit, diese Informationen angemessen zu nutzen, mit dem Alter verschlechtern, wenn geistige Fähigkeiten wie hemmende Interferenzkontrolle oder visuell-räumliches Gedächtnis erforderlich sind. Angesichts des Zusammenhangs zwischen kognitivem Verfall und Stürzenvon 1 bis 3könnte die Implementierung von Studienentwürfen, die die Notwendigkeit der Integration von Kontextrelevanz betonen, wertvolle Einblicke in Gleichgewichtsdefizite in vielen gefährdeten Bevölkerungsgruppen liefern.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die in dieser Publikation berichtete Forschung wurde vom National Institute on Aging der National Institutes of Health unter der Award-Nummer R21AG061688 unterstützt. Der Inhalt liegt allein in der Verantwortung der Autoren und stellt nicht unbedingt die offizielle Meinung der National Institutes of Health dar.
Materials
| CED Power1401 | Cambridge Electronic Design | Data acquisition interface | |
| Delsys Bagnoli-4 amplifier | Delsys | EMG equipment | |
| Figure-eight D702 Coil | Magstim Company Ltd | TMS coil | |
| Kistler Force Plates | Kistler Instrument Corp. | Multicomponent Force Plate Type 9260AA | Force plates |
| Magstim 200 stimulator | Magstim Company Ltd | TMS stimulation units | |
| PLATO occlusion spectacles | Translucent Technologies Inc | visual occlusion | |
| Signal software | Cambridge Electronic Design | Version 7 |
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